全電流
全電流 |
一般情形下,通過空間某截面的電流應包括傳導電流與位移電流和運流電流,其和稱全電流(total current) 。即:傳導電流Ic + 運流電流Iv + 位移電流Id = 全電流,其中:Ic指導體內自由電荷定向移動所形成的電流;Iv指導體外自由電荷定向移動所形成的電流;Id指變化的電場所等效的電流。如安培環路定理中的I就可以理解為全電流。
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概念
一般情形下,通過空間某截面的電流應包括傳導電流與位移電流和運流電流,其和稱全電流(total current) 。即:傳導電流Ic + 運流電流Iv + 位移電流Id = 全電流,其中:Ic指導體內自由電荷定向移動所形成的電流;Iv指導體外自由電荷定向移動所形成的電流;Id指變化的電場所等效的電流。如安培環路定理中的I就可以理解為全電流。
全電流是連續的,在空間構成閉合迴路。導線中有傳導電流(一般,導體中也有很小的位移電流),而電容器中有位移電流,即傳導電流中斷處,有位移電流接上。
電流
科學上把單位時間裡通過導體任一橫截面的電量叫做電流強度,簡稱電流。通常用字母 I表示,它的單位是安培(安德烈·瑪麗·安培),1775年—1836年,法國物理學家、化學家,在電磁作用方面的研究成就卓著,對數學和物理也有貢獻。電流的國際單位安培即以其姓氏命名),簡稱「安」,符號 「A」,也是指電荷在導體中的定向移動。
導體中的自由電荷在電場力的作用下做有規則的定向運動就形成了電流。
電源的電動勢形成了電壓,繼而產生了電場力,在電場力的作用下,處於電微安(μA)1A=1 000mA=1 000 000μA,電學上規定:正電荷定向流動的方向為電流方向。金屬導體中電流微觀表達式I=nesv,n為單位體積內自由電子數,e為電子的電荷量,s為導體橫截面積,v為電荷速度。
大自然有很多種承載電荷的載子,例如,導電體內可移動的電子、電解液內的離子、等離子體內的電子和離子、強子內的夸克。這些載子的移動,形成了電流。
傳導電流
傳導電流是指導電媒質中運動電荷形成的電流稱為傳導電流。傳導電流與電場強度之間的關係滿足歐姆定律。傳導電流密度用Jc表示。
傳導電流中的帶電微粒(如金屬中的自由電子、電解質溶液中的正負離子、氣體中的離子和電子)在電場作用下,在導體內部做定向運動而形成的電流。傳導電流僅存在於導體中,其幅值與外加電場的頻率無關。
在交變場的作用下,介質中有兩種性質不同的電流存在,傳導電流是其中的一種。傳導電流相當於自由電子的定向運動,並由介質的電阻率所決定。傳導電流通過導體時不但產生焦耳熱,而且在導體周圍空間激發渦旋磁場。在低頻交流電法中主要考慮傳導電流對電磁場分布的作用。[2]
位移電流
在電磁學裡,位移電流 (displacement current) 定義為電位移通量對於時間的變化率:
位移電流的單位與電流的單位相同,在SI單位制中單位為安[培]。如同真實的電流,位移電流也會產生磁場。但是,位移電流並不是移動的電荷所形成的電流;而是電位移通量對於時間的偏導數,故它不具有傳導電流所具有的其它效應,如焦耳熱效應和化學效應。
考慮到上式的求導和積分順序可以交換,上式也可被改寫為式中的稱位移電流密度。
位移電流是指穿過某曲面的電位移通量φD的時間變化率。這是麥克斯韋(1861~1862年)首先引出的一個概念。因為ΦD=ΦsD·ds,所以位移電流又可表示為i位=。式中稱為位移電流密度矢量j位=。
這樣,位移電流等於曲面上位移電流密度的面積分。又因D=ε0E+P,E為電場強度矢量,P為該點的極化強度矢量,則位移電流密度j位=ε0為介質極化強度隨時間的變化率,它與極化電荷的移動相聯繫。在真空中這一項等於零,這時j位=ε0,它與電場強度隨時間的變化率相聯繫,是位移電流的基本組成部分。這個基本部分與電荷的運動無關,本質上是隨時間變化的電場。
麥克斯韋認為位移電流以與傳導電流相同的方式激發磁場。亦即變化着的電場在其周圍空間激發磁場。這樣,磁場可由傳導電流激發,也可由變化的電場激發,這一假說是產生電磁波的必要條件之一。而在實驗驗證了電磁波的存在之後,這一假說就上升成為電磁理論的基本組成之一。真空中的位移電流,只相當於電場強度隨時間的變化,不伴有電荷或任何別的實體的任何運動。即使在介質中,位移電流也不產生化學效應和焦爾熱。
運流電流
運流電流又稱「對流電流」。帶電介質或介質中的帶電部分在空間運動所形成的電流。是指電荷在不導電的空間,如真空或極稀薄氣體中的有規則運動所形成的電流。
真空電子管中由陰極發射到陽極的電子流,帶電的運動着的雷雲運動所形成的電流都是運流電流。相對於觀察者以速度v運動的電荷元ρdV(ρ為電荷的體密度,dV為體積元)形成的運流電流密度為ρvdV。